JPH0329821A - 流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野） この発明は、流体通路を流れる気体等の流量、例えば内
燃機関における機関吸入空気流量を計測するのに好適な
流量センサに関する。

《従来技術》 従来のこの種流量センサとしては、例えば第７図に示す
ように、バイパス流路内に小型で機械的強度の大きい巻
線型熱線プローブ１２０および温度プローブ１２１を配
置するようにしたものがある。しかし、これによれば流
量検出素子としての熱線プローブ１２０が流体の通路の
一部に配置されているので、自動車のエンジン吸入空気
量を計測する場合、次のような問題がある。

すなわち、気簡の開閉に起因する脈動流が発生するため
、計測精度が低下する。また、吸気通路の直線部分がス
ペース上の制約から充分にとれないとともに■り部分が
多いため、流速分布のバタンか常時変動し、かつ該流速
分布のパターンが流体通路の流れ方向の中心軸に対し非
対称な曲線となり、これがため極めて不安定な流れとな
り、外乱要因となる。

こうした時間的および空間的に流れが変動する不安定な
流れを精度よく計測することを目的として、本出願人は
先に特願昭６３−１１９０４１号として第８図に示す新
しい流量センサ３１を出廓した。

この流量センサ３１は、その中央部分に金属箔製の流量
検出素子３１ａよりなるハニカム形状のセルを有し、こ
のセルの空間部３１ｃを介して流体が通過するようにな
っており、周辺部には支持体３ｌｂが設けられている。

《発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような流量センサにあっては、金属
箔からなるハニカム状の流量検出素子であったため、自
動車のエンジンルームという振動環境の苛酷な状況下で
使用するには、充分な機械的強度を有しない。また、金
属箔にスパッタリングによって絶縁層および抵抗層を形
成し、これをハニカム構造体に形戊するという複雑な工
程を経なければならず、製造コストが高くなるという問
題点があった。

この発明は、このような問題点に着目してなされたもの
で、機械的強度に優れ製作が容易な流量センサを提供す
ることを目的とする。

《問題点を解決するための手段》 この目的を達成するため本発明は、流量センサの流量検
出素子を径の異なる複数の同心状の筒体より構成し、こ
の筒体の内側、外側の少なくとも一つに、検出素子面と
なる薄膜抵抗層部を形戊し、筒体の軸方向が流体の流れ
方向と一致するよう筒体を配置したことを特徴とする。

この発明において、筒体の横断面形状は流体の通路断面
形状と対応するもので、例えば円形、だ円形および角形
等が含まれる。筒体には金属祠料からなる」二記抵抗層
部が直接または間接的に形戊される。

この場合、上記抵抗層部を筒体の内周面もしくは外周面
に直接形成するか、あるいは複数の同心構造の筒体の間
に、断面形状が波形であって筒状に形或されたバネ部祠
を配置し、このバネ部祠の表面に上記抵抗層部を形成す
ればよい。

流量センザを設置するときは、流量検出素子が流体の流
れ方向に略直交して全流路を覆うように配置し、これに
より検出効率を高める。

《作用》 本発明における流量検出素子は、同心状の筒構造体から
なっているため、機能面では空間的な流れ変動を平均化
することができる一方、構造面では橋械的強度が大きく
振動環境の苛酷な条件下に耐えられるようになる。また
、製作面では筒体に薄膜抵抗層を直接または間接的に湿
式法によって容易に形戊することができ、安価に量産可
能となる。

《実施例） 以下、この発四を図面に基づいて説明する。

この発明の一実施例を第１図により説明すると、流体通
路１０の流れ方向Ｒに直交して温度センサ２および流量
センサーが設けられている。温度センサ２は、アルミナ
等からなるセラミックスの棒状体２ｂの中央部表面にザ
ーミスタ素子２ａを装着して設けられている。

第２図は第１図の■一■線断面図であるが、流量センサ
ーは流体通路１０の全流路を覆うべく円形に設けられて
いるとともに、この内側部分は複数の流量検出素子１ｂ
よりなる断面波形状の円筒状セル（５）によって構成さ
れている。このセル（５）の空間部１ｃを介して流体が
通過するようになされている。また、流量検出素子ｉｂ
は、同心円筒状の保持体１ａの間隙に圧入されることに
５ よって、流体通路１０中に固設されている。

次に、上記流量センサーの製作手順を第３図に基づいて
説明する。

まず、０．３〜０．　　５ｍｍ程度の板厚を有するリン
青銅板等のバネ制を用いて、断面が波形の筒形状セル５
を製作する（第３図ａ）。

次に、アルミナ等のセラミックスの微粒子を有機溶媒と
ガラス質とで分散させてペースＩ・とじ、このペースト
をスクリーン印刷法によって、セル５」二の所定位置に
所定形状で１０〜２０μｍの厚さとなるよう塗布する。

この後、予め決めた温度と時間との関係に基づいて、乾
燥および焼ト１けを行い、絶縁層６を形成する（同図ｂ
）。

さらに、白金などめ金属粉体を有機溶媒とガラス質とで
分散させてペース１・とし、このペース１・を前述と同
じようにスクリーン印刷法によって上記絶縁層６上の所
定位置に所定形状で１０μｍ程度の厚さとなるよう塗布
する。

この後、この金属ペースト月を、予め決めた温度と時間
との関係に基づいて乾燥および焼｛＝Ｊけを６ 行い、厚みが０．２〜０．５μｍ程度の薄膜層７を形成
する（同図Ｃ）。

このようにして得られたセル５を、第２図に示すように
同心円筒の複数の保持体１ａの間隙に圧入する。なお、
保持体１ａはプラスチック祠やあるいはアルミニウムな
どの金属祠料で製作されている。

ところで、この場合セル５と他のセル５との金属的接続
は、図示しない別の金属箔帯状の電極で金属薄膜層７を
介して接続されているとともに、図示しない外部の出力
端子とも接続されている。

本発明に係る流量センサは上記の如く構成されているが
、次にその作用を説明する。

流量センサ１を構成する流量検出素子１ｂの金属薄膜層
（薄膜抵抗祠）７がもつ電気抵抗は次式で与えられる。

Ｒ　ｗ　＝　Ｒ　ｗ　（１　　（１＋αＴｗ）　　　　
　　　（１）ここで、Ｔｗは金属薄膜層７の温度、ＲＷ
Ｏは基準温度、例えば０℃における金属薄膜層７の抵抗
値、αは金属薄膜層７の抵抗温度係数である。

ところで、今この金属薄膜層７に電流ｉを供給したとき
、流速Ｖの流体に伝達される熱量Ｑは次式で与えられる
。

Ｑ＝ｉ２　Ｒ＝　（Ｃ　１＋Ｃ２　Ｊａｖ）ｘ　（Ｔｗ
−Ｔａ）　◆Ｓ　　　　　　　　　（２）ここで、σは
流体の密度、Ｓは金属薄膜層７の表面積、Ｔａは流体の
温度、Ｃ，，Ｃ，，は定数である。

したがって、今」二記（２）式からも明らかな如く、 （Ｔｗ−Ｔａ）　　・Ｓ／Ｒｗ の値を、流体の温度Ｔａに依存しないように電気的に制
御すれば、電流ｉは流体の密度と流速の積、すなわち質
量流量のみに依存する関数として表わされるとともに、
」二記電流ｉを求めることにより、質量流量が求まるこ
とになる。

なお、 （Ｔｗ−Ｔａ）　　・Ｓ／Ｒｗ の値を一定にする制御方法としては、よく知られている
ように流体の温度Ｔａを検出するセンサの信号を川いる
ことにより種々なされる。

次に、流量センサーを構戊する断面波形の流量検出素子
１ｂの構造面からの作用を説明する。

流量検出素子１ｂは、第１図に示す如く、流体通路１０
の流れ方向Ｒと直交して全流路を覆うべく設けられてい
るとともに、流体の流れ方向Ｒに平行に一定の厚みを有
するように設けられている。

ところで、エンジンの流体通路１０を流れる流体は、空
間的にも時間的にも不安定な流れを形成しながら流れて
いる。

第４図（ａ）は、流体通路を流れる流体Ｓの空間的変動
を模式的に示したものである。

エンジンの吸気流量は、流体通路のスペース上の制約で
、通路の直線部が充分な長さをとれないとともに藺り部
が多いため、極めて流れが不安定なものとなる。

また第４図（ａ）は、流れ方向と直交する断面における
流体Ｓの流速分布を経時的変化に従って図示することで
、上記空間的な流れの不安定さを９ 示したものである。

一方、第４図（ｂ）は、流量の時間的変動を示したもの
であって、エンジンの吸気流量には、気簡の開閉時間に
同期した吸気脈動が生ずる。この吸気脈動の大きさは、
スロッ１・ル開度が大きい吸気側と気筒側との圧力差が
小さい状態になるほど大きくなる。

また第４図（ｂ）に示したものは、スロツ１・ル開度の
全開時における、各種のエンジン回転数の吸気脈動を模
式的に示したものである。

したがって、第４図（ａ），　　（ｂ）に示す如く、エ
ンジンの吸気は時間的にも空間的にも流れの状態が常時
変動しているという極めて不安定な流れである。

こうした不安定な流れを、平均的な流量として常時正し
く計測するためには、流れ方向に直交して流路全域を覆
うべく流量検出素子を配設することが望ましい。

そこで、本実施例では、」二記の如く流体の通路断面が
波形の形状を有する金属薄膜素子を流体の１０ 流れに直交して流路全体を覆うべく設けたものであり、
これにより、流体の流れ状態が時々刻々変わる場合でも
、流体通路内の流量を精度よく検出できることになる。

一方、流量検出素子は断而波形状なので、セルの中空部
は開口されている。このため、該検出素子による流体の
圧力損失を招くおそれもない。

ところで、流路全体に流路検出素子を設ける方法として
は、例えば白金線やタングステン線をメッシュ状に配設
させる方法が考えられる。

しかし、この方法では、線の機械的強度を確保するため
のメッシュの保持方法が困難であったり、コス１・高に
なるという欠点があり、自動車川としては不適当である
。

この点、本実施例では断面が波形状の流量検出素子を用
いているので、比較的容易に機械的強度を確保できる。

第５図（ａ）は、本発叩の他の実施例に係る流量センサ
の断面図であって、流体通路１０内の流れ方向Ｒに直交
して温度センサ２および流量セン１１ サ１１が設けられている。

第５図（ｂ）は、第５図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であっ
て、温度センザ２は第１図と同様に、アルミナ等のセラ
ミックスよりなる棒状体２ｂの中央部表面にサーミスタ
素子２ａを装着して設けられている。このサーミスタ素
子２ａは、有機溶媒等で分散したザーミスタ機能を有す
るセラミックス祠を塗布した後、乾燥および焼ト１けに
よって上記棒状体２ｂの所定位置に所定形状で形成され
ている。

また第５図（Ｃ）は、第５図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図で
あって、流量センサ１１は流体通路１０の全流路を覆う
べく断面円形に設けられているとともに、この内側部分
は、流量検出素子１ｌｂを有する複数個の同心構造の円
筒管１１ａによって構成され、この円筒管１１ａの空間
部１１ｅを介して流体が通過するようになされている。

さらに同図においてｌ’ｌｄは、流量センサ１１の周辺
部に設けられた支持体で、ダクｌ−３を介して流量セン
ザ１１を支持するようになされている。

１２ また１１ｃは、流量センサ１１を構成する複数の同心状
円筒管１１ａを連結し、これを支持体１１ｄに結合する
流量センサ１１の連結棒であり、ここでは金属からなる
棒状体が使用されている。

さらにまた第５図（ｄ）は、流量センサ１１の構成を示
す説四図であり、円筒管１１ａの表面に絶縁層１ｌｂ−
１が形成され、さらにこの上に抵抗層１ｌｂ−２が形戊
されている。こうした抵抗層１ｌｂ−２は、円筒管１１
ａの流れ方向について少なくともその中央位置より後流
側、すなわち下流側に形成されており、円筒管１１ａに
より多少の整流効果を発生させるようにしている。

なお、この円筒管１１ａは、ここでは金属からなる薄肉
の円筒管部祠が使川されている。

次に、上記流量センサ１１の製作手順を第６図に基づい
て説明する。

まず、１ＩＩＩＩＩ１程度の厚さを有するアルミニウム
や鉄系合金からなる薄肉の金属円筒管１１ａを製作する
（第６図（ａ））。

次に、この円筒管１１ａ上にアルミナ等の絶縁１３ 材料からなる絶縁層１ｌｂ−１を形成する。これは有機
溶媒等を媒体として、アルミナ等の絶縁刊料の微粒子を
分散したペース１・を用い、これを第６図（ｂ）に示す
ような所定位置に所定形状になるように、スクリーン印
刷法によって１０〜２０μｍ程度の厚さの膜を塗布する
。この後、所定の時間と温度の条件下に乾燥および焼｛
＝Ｊけを行い、アルミナ等よりなる厚さ２〜５μｍ程度
の厚膜を形成する（同図（ｂ））。

次に、この」二に絶縁層１ｌｂ−１を形戊したのと同じ
方法で、抵抗層１１ｔ）−２を形成する。この抵抗層１
ｌｂ−２は、白金等の金属制料の粉末を有機溶媒等の媒
体によって分散させたペーストであって、このペースｌ
・をスクリーン印刷法によって１０μｍ程度の厚さの膜
になるように塗布する。

この後、乾燥および焼トｊけによって０．２〜１．０μ
ｍ程度の厚さの金属薄膜による抵抗層１１ｂ２を形成す
る（同図（Ｃ））。

そして次に、予め円筒管１１ａに設けられた貫１４ 通孔（図示せず）を介して金属製連結棒１２を円筒管１
１ａに挿入し、前記抵抗層１１ｂ〜２と連結棒１２との
接触部に導電ペーストを塗布し乾燥させ、金属抵抗層１
ｌｂ−２を電気的に接続する。

この場合、連結棒１２の」二端および下端は、図示しな
い外部電極への出力端子となるようにされている。

次に、この連結棒１２の上端および下端に、プラスチッ
ク祠からなるセンサ支持体ｌｉｄを挿入し、製晶として
の流量センザ１１が最終的に作成されることになる。

本実施例に係る流量センサは、」二記の如く構成されて
いるが、その作用は上記実施例と同様である。

すなわち、本実施例では、上記の如く複数の円筒構造を
有する金属薄膜素子を流体の流れに直交して流路全体を
覆うべく設けた。

これにより、流体の流れ状態が時々刻々変わる場合でも
、流体通路内の流量を精度よく検出できることになる。

１５ 一方、流量検出素子は円筒状なので、セルの中空部は開
口されている。このため、検出素子による流体の圧力損
失を拍くおそれもない。

また、所要厚さの円筒構造を採川しているので、機械的
強度を確保するための保持方法も容易であり、コスト低
減を図ることがきる。その他の利点は前記実施例と同様
の効果を有することは勿論である。

《発明の効果） 以」二説明してきたように、この発明によれば、下記の
ような優れた効果を有する。

■　筒体上に抵抗層を担持させた構造であるため、機械
的強度が向−１ニし、例えば振動の環境が苛酷である場
所、例えばエンジンの振動を直接に受ける自動車のエン
ジンルームであっても長期にわたって使用することが可
能である。

■　また、ハニカム構造体に比べて筒体なので流量セン
ザ自体の構造が大幅に簡素化される。

■　しかも、流量検出素子が湿式法による薄膜素子とし
て製作できるため、コスト低減が図れる。

１６ ■　さらに、スクリーン印刷法を採用できるため、絶縁
層および抵抗薄膜層部分の形状精度が高く、膜の特性偏
差が少なくなる。

■　流体の流れ方向に略直交して全流路を覆うよう流量
検出素子を配置するため、不安定な流れを有する流体を
測定対象とした場合でも、流れ変動を平均化して精度よ
く流量検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る流量センサを示す断面
図、第２図は第１図の■一■線断面図、第３図（ａ）〜
（ｃ）は第１図の流量センサの製作工程図、第４図（ａ
）は流体の流れの変動を説明する流体変動分布図、第４
図（ｂ）は同流体の流量一時間特性図、第５図（ａ）は
本発明の他の実施例に係る流量センサを示す断面図、第
５図（ｂ）は第５図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、第５図（
ｃ）は第５図（ａ）のＣ−Ｃ線断面図、第５図（ｄ）は
第５図（ａ）の流量センサの要部を示す拡大斜視図、第
６図（ａ）〜（ｄ）は第５図（ａ）１７ の流量センサの製作工程図、第７図は流量センサが設置
されるバイパス流路を示す断面図、第８図は従来の流量
センサを示す断面図である。 １，１１・・・流量センサ ｌｂ，ｌｌｂ・・・流量検出素子 ｌａ．ｌｌａ・・・円筒状保持体（筒体）２・・・温度
センザ ７，ｌｌｂ−２・・・金属薄膜層（抵抗層部）１０・・
・流体通路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、流体の通路に流量検出素子を配置して該流体の流量
   を検出する流量センサにおいて、上記流量検出素子は、
   径の異なる複数の同心状筒体をその軸方向が流体の流れ
   方向と平行となるように配置し、かつ前記筒体に薄膜抵
   抗層部を設けたことを特徴とする流量センサ。